Daha büyük bir sensör neden daha iyi dinamik aralığa sahiptir?

Daha büyük bir sensörün alan derinliğinin daha iyi kontrolüne ve daha düşük gürültüye nasıl yol açtığının arkasındaki tüm teoriyi zaten anlıyorum. Ama henüz daha büyük bir sensörün size neden daha büyük bir dinamik aralık sunduğunu açıklayabilecek bir yer bulamadım?

Sensörün boyutu önemli değil, pikselin boyutu. Bununla birlikte, tam kare kameralar gibi daha büyük sensörler daha büyük piksele sahip olma eğilimindedir.

Sensörün boyutunu alarak pikselin boyutunu tahmin edebilir ve piksel sayısına bölebilirsiniz. Bu hesaplama doğru değildir çünkü çoğu sensör pikseller arasında boşluklara sahiptir ve bu boşlukların boyutları farklıdır. Bu yüzden "tahmin" diyorum.

Şimdi, sensördeki bir pikseli bir kutu ve fotonları top olarak düşünün. Kutu ne kadar büyük olursa, o kadar çok top içerebilir.

Kutu A ve B'ye sahip olduğumuzu varsayarsak, Kutu A 256 top içerebilir ve kutu B 512 top içerebilir. Şimdi A tipi bir kutu matrisi ayarlayalım ve havaya bir sürü top atalım. Topların nereye düştüğüne dair bazı istatistikler toplamak istiyoruz.

Kutulardan birinde 256 top ve kenarlarda kutularda ~ 20 top bulunur. Ortada sadece 256 topun veya daha fazlasının düşüp düşmediğini bilemeyiz. Ölçümümüz 256 top için maksimum ile sınırlıdır.

Şimdi bu deneyi tekrarlayalım ama şimdi B tipi kutularla. Şimdi kutunun ortasında 347 top ve kenarlarda kutuların ~ 20 top içerdiğini görebiliyoruz.

Önlemimiz çok daha doğru. Sensöre çarpan fotonlarda tam olarak bu olur. Daha büyük yüzey daha fazla foton içerebilir ve daha geniş bir dinamik aralığı ölçebilir. Örneğimizde, dinamik aralık büyük kutuda iki kat daha büyük.

Piksel fotonlarla doluysa, renge çeviri tamamen doymuş bir renk olacaktır, ancak daha büyük bir piksel yüzeyi ile daha iyi bir sonuç elde edeceğiz, böylece daha iyi dinamik aralık elde edeceğiz.

İşte açıklamamı gösterebilecek bir resim:

Daha ayrıntılı bir açıklama için bu makaleyi kontrol etmek isteyebilirsiniz:

Dynamic_Range

Foton gürültüsünün tek sorun olduğu ideal sensörler göz önüne alındığında, sensör büyüdükçe dinamik aralık artar. Dinamik aralık, sensörün doygun hale geldiği nokta ile gölgelerdeki gürültüye karşı herhangi bir detayın kaybolduğu nokta arasındaki farktır.

Daha büyük bir sensörde daha büyük pikseller veya daha fazla piksel bulunur. Daha büyük pikseller, yükü depolamak için daha fazla kapasite (diğer her şey eşittir) ve piksel başına daha fazla ışığın yakalanması, dolayısıyla gölgelerde daha az ışık ve dolayısıyla daha fazla dinamik aralık anlamına gelir. Daha fazla piksel, piksel başına benzer gürültü anlamına gelir, ancak gölge gürültüsünü azaltmak ve böylece dinamik aralığı artırmak için ortalama daha fazla piksel anlamına gelir.

Gerçekte, fotoitlerin ürettiği analog sinyalin sayısallaştırılmadan önce gürültü aldığı başka gürültü kaynakları, yani okuma gürültüsü vardır. Bunun dinamik aralık üzerinde sensör boyutundaki farklılıklardan çok daha güçlü bir etkisi olabilir. Görüntünün karanlık alanlarından gelen düşük yoğunluklu sinyaller özellikle okuma gürültüsüne duyarlıdır, dolayısıyla DR üzerindeki büyük etki.

Yeni teknoloji (sensörden ADC'ye giden yolu kısaltmak, sinyali iki kez göndermek ve sonuçları karşılaştırmak) okuma gürültüsünü neredeyse tamamen ortadan kaldırabilir, bu da Sony Exmor gibi APS-C sensörlerinin Canon'un 2,5 kat daha büyük tam kare sensörlerinin dinamik aralığını aşmasını sağlar. neredeyse bir büyüklük sırası!

İyi ışıkta dinamik aralık ile zayıf ışıkta dinamik aralık arasında ayrım yapmak da gereklidir. Birincisi esas olarak okuma gürültüsü ile belirlenir, bu nedenle küçük bir sensör düşük okuma gürültüsü ve yeterince iyi bir derinliğe sahip olması koşuluyla mükemmel olabilir. İkincisine foton gürültüsü hakimdir (düşük ışıkta ISO'yu yükseltmek foton gürültüsünü artırır, ancak okuma gürültüsünü arttırmaz), bu nedenle daha büyük sensörler burada daha iyi performans gösterir. Yine her sensör bu trendi takip etmiyor.

Daha büyük bir sensörün, piksel başına daha fazla yüzey alanı dışında daha büyük bir dinamik aralık veya daha düşük gürültü vermesi için hiçbir neden yoktur, ancak tam çerçeve kameralar daha yüksek uç birimleri olma eğilimindedir ve bu nedenle daha iyi sensörlere sahip olma eğilimindedir.

Tam kare sensöre benzer kalitede yapılırsa, daha düşük çözünürlüklü, daha küçük bir sensörün daha iyi gürültü ve dinamik aralık performansına sahip olmamasının bir nedeni olmadığını unutmayın. Sensör yüzeyindeki inç başına düşen piksel sayısı ve sensörün kalitesi önemli bitlerdir.

Kutulardaki örnek çok doğrudur ve daha büyük sensörlerin neden geniş bir dinamik aralığa sahip olduğunu açıklar. Piksel küçüldükçe daha az fotoelektron saklanabilir (saklanabilecek maksimum fotoelektron sayısına tam kuyu kapasitesi denir). Sensörü küçülterek, sadece birkaç elektronun depolanabileceği durumuna ulaşabiliriz, bu da siyah beyaza neden olur görüntü (gri tonları yok!).

Dolayısıyla, her şey aynı ise daha büyük sensörün daha yüksek dinamik aralığa sahip olduğuna şüphe yoktur.

Soru, çözünürlüğü düşürerek dinamik aralığı artırabilir misiniz? Bunu bilimsel CCD kameralarla yapabileceğimi biliyorum (ben şahsen yaptım). Ama aynı şeyi tüketici kameraları ve CMOS ile de yapabilir misiniz? Sanırım 2x2 pikseli bir taneye bağlayabilirseniz (çözünürlüğü 4 kez etkili bir şekilde azaltır).

Araştırmamıza göre piksel boyutu bile önemli değil, kutu teorisi aydınlatma koşulları için uygulanabilir çünkü daha büyük pikseller daha fazla ışık toplar, kesinlikle düşük ışıkta (sağduyu) bir kenara sahip olacaktır, ancak sensör teknolojisi dinamik aralıktaki anahtar faktördür dinamik aralık, sensörün açık tonlarda ve gölgelerde perakende satışlarını koruma yeteneğidir. Örneğin, daha yeni bir sensörün küçük veya büyük bir fanının dinamik aralığı, daha eski bir tam kare sensörünün dinamik aralığından daha iyi olabilir